ディーン・スターク装置

密度が水よりも小さい溶媒との共沸混合物のためのディーン・スターク装置のセットアップ：

1. スターラーバー/突沸防止顆粒
2. スティルポット
3. 分留塔
4. 温度計/沸点温度
5. コンデンサー
6. 冷却水
7. 冷却水が排出される
8. ビュレット
9. タップ
10. 収集容器

マーカソン装置、ディーン・スターク装置、ディーン・スターク受器、蒸留トラップ、あるいはディーン・スタークヘッドは、合成化学において反応器から水^{[ 1 ] [ 2 ]} (または場合によっては他の液体)を集めるために使用される実験用ガラス器具である。これは、還流冷却器および蒸留フラスコと組み合わせて使用​​され、液体から水を分離する。これは、エステル化反応など、還流温度で行われる化学反応中に生成される水を連続的に除去するものである。ジュリアス・マーカソン (1905年発明) による最初の装置は、1920年にアメリカの化学者アーネスト・ウッドワード・ディーン (1888年 - 1959年) とデイヴィッド・デューイ・スターク (1893年 - 1979年) によって石油中の水分含有量の測定のために改良された。^{[ 3 ] [ 4 ]}

関数

ディーン・スターク装置の使用。熱損失を減らすためにアルミホイルが使用されている。

ディーン・スタークトラップには 2 つの種類があります。1 つは水よりも密度が低い溶媒用、もう 1 つは水よりも 密度が高い溶媒用です。

ディーン・スターク装置は、典型的には垂直の円筒形ガラス管で構成され、その全長にわたって容量目盛りが付けられ、下端にはビュレットによく似た精密活栓が付いていることが多い。微量の水を除去または測定するためのトラップは、蛇口を使わずに閉じられる場合がある。還流冷却器の下端は、シリンダーの上部に取り付けられる。冷却器とシリンダーの接合部のすぐ下には、シリンダーを反応フラスコに接続する傾斜したサイドアームがある。サイドアームの下端は下方に急激に曲がっており、垂直のチューブを介して反応フラスコに接続される。

反応フラスコは加熱されます。 フラスコ内の沸騰チップは、反応溶媒と除去すべき成分を含む蒸気の穏やかな泡形成を促します。この蒸気は反応フラスコから凝縮器へと上昇し、そこで循環する水によって冷却され、蒸留トラップへと滴下します。ここで混和しない液体は層に分離します（下層に水、上層に溶媒）。それらの合計体積がサイドアームの高さに達すると、上層の密度の低い層は反応器へ逆流し始め、水層はトラップ内に残ります。トラップ内の水位がサイドアームの高さに達すると、トラップは最終的に容量に達します。この時点で、トラップ内の液体は受液フラスコに排出する必要があります。蒸発、凝縮、回収のプロセスは、水の生成が止まるまで継続されます。

より稀な例として、水よりも密度が高い溶媒用のモデルがあります。このタイプでは、回収容器の底にチューブが設けられており、底部の有機溶媒を反応容器に戻すことができます。反応中に生成された水は有機相の上に浮かびます。水を除去するには、容器全体を排水する必要があります。その後、有機相を分離してシステムに戻すことができます。

この装置は通常、共沸蒸留に使用されます。一般的な例としては、沸騰トルエンの反応中に生成された水の除去が挙げられます。トルエンと水の共沸混合物は反応液から蒸留されますが、トルエン（密度0.865  g/ml）のみが戻ります。これは、トルエンが水（密度0.998  g/ml）の上に浮いているためです。水はトラップに集まります。水と共沸する高沸点液体の中には、トルエンなどの共沸混合物を破壊する溶媒を加えて水分を抽出することで乾燥できるものがあります。ディーン・スターク法は、食品業界でパンなどの水分含有量を測定するために一般的に使用されています。

この装置は、単純な水分除去以外にも使用できます。例えば、硫酸触媒を用いた酢酸によるブタノールのエステル化反応が挙げられます。蒸気は還流温度においてエステル63%、水29%、アルコール8%を含み、トラップ内の有機層はエステル86%、アルコール11%、再導入される水3%を含みます。水層の純度は97%です。^{[ 5 ]}

もう一つの例は、安息香酸とn-ブタノールのエステル化です。この反応では、エステル生成物は捕捉され、水と混和しないブタノールは反応器内に戻ります。これらのエステル化の過程で水を除去すると、ルシャトリエの原理に従って、化学平衡がエステル形成に有利な方向に変化します。

参考文献

1. 「Dean–Stark Apparatus」 . サウサンプトン大学、バーミンガム大学、ノッティンガム大学、シェフィールド大学. 2011年9月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年11月17日閲覧。
2. Wiberg, Kenneth B. (1960). Laboratory Technique in Organic Chemistry . McGraw-Hill series in advanced chemistry. New York: McGraw Hill. ASIN B0007ENAMY . 
3. EW DeanとDD Stark (1920). 「石油およびその他の有機エマルジョン中の水分測定のための簡便法」 . The Journal of Industrial & Engineering Chemistry . 12 (5): 486– 490. doi : 10.1021/ie50125a025 .
4. Andrea Sella (2010年6月). 「クラシックキット：ディーン・スターク装置」 . Chemistry World .英国王立化学協会.
5. Peter Keusch. 「酸触媒エステル化」レーゲンスブルク大学. 2005年11月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。